108938 (Интерпретация квантовомеханических представлений с позиций волнового описания системности физических величин)

Интерпретация квантовомеханических представлений с позиций волнового описания системности физических величин

А. С. Чуев, к.т.н. доцент Государственного университета управления, г. Москва.

В физике ... нет места для путанных мыслей ...

Действительно понимающие природу того или иного явления должны получать основные законы из соображений размерности.

Э. Ферми

В работе рассмотрены некоторые физические величины и закономерности квантовой механики с позиций логики строения дифференциальных уравнений, описывающих волновые процессы, а также системности физических величин, расположенных в LT- или MLT- размерностных элементах, имеющих планарное и упорядоченное размещение.

Приводится логический вывод уравнений Шредингера и объясняется происхождение так называемых операторов физических величин. Анализируются известные соотношения неопределенностей и системно обнаруживаемое расширение их числа и качественного вида. Исходя из системных представлений, предлагаются и рассматриваются известные и некоторые новые физические величины. С помощью представления о изоэнергетических электронных поверхностях атома дается физическое объяснение численного заполнения атомных электронных оболочек, которое получено без привлечения математического аппарата операторов физических величин.

Сделан вывод о том, что истинно (первоначально) квантуемыми величинами в составе водородоподобного атома являются длина волны, частота и скорость орбитального движения электрона, которые, в отличие от энергии, упорядоченно и целочисленно кратно (или дольно) изменяются с изменением порядкового номера орбиты.

В работе помещен раздел, касающийся плотности распределения квантовых состояний и физических представлений об этом, рассмотрены также и некоторые другие квантово механические представления.

Начало становления квантовой механики

Возникновение и начало становления квантовой механики связывают с открытием германским физиком Максом Планком (1900 г.) некой константы, связывающей энергию фотона с его частотой.

или (1.1)

В честь первооткрывателя эту константу назвали постоянной Планка. Значение h = (6,62618± 0,0004)× 10–34 Дж× с. Значение этой постоянной в 2π раз меньшее называют рационализированной постоянной Планка и обозначают той же буквой с чертой - . Позднее физическую величину, равную по размерности произведению энергии на время, американский физик Р. Фейнман назвал действием. В системе СИ размерность действия ML2T–1. Таким образом, постоянная Планка является элементарным квантом физической величины действия.

Следует остановиться на используемом здесь понятии кванта и квантуемой физической величины (в дальнейшем, ФВ). Например, почему-то часто говорят о дискретных уровнях и квантах энергии, но совсем не говорят о квантуемости масс элементарных частиц или атомов. Хотя неравномерная дискретность (прерывистость) величин в том и другом случаях очень похожи.

По нашему мнению, настоящей (истинно) квантуемой (или упорядоченно-квантуемой) величиной следует называть ФВ, изменение которой происходит отдельными порциями целочисленно кратными некой элементарной доле, меньше которой она и не бывает. К таким упорядоченно-квантуемым ФВ относится рассматриваемый здесь квант действия (постоянная Планка, точнее, половина ее величины). К таким же истинно квантуемым величинам можно отнести элементарный электрический заряд, квант магнитного потока и некоторые другие величины. Эти кванты ФВ являются фундаментальными физическими постоянными (ФФП), связанными между собой закономерными взаимосвязями. А взаимосвязи ФФП наиболее ярко выражают единство и целостность всей природы.

Открытие М. Планка было связано с решением проблемы правильного описания энергетики равновесного теплового излучения, которое к механике вроде бы и не имеет прямого отношения. Некоторая связь излучения с механическим движением появилась лишь после выдвижения А. Эйнштейном (в 1905 г.) корпускулярной теории электромагнитного излучения, объяснявшей явления фотоэффекта.

Самым заметным вкладом в начальное зарождение квантовой механики можно считать разработку датчанином Нильсом Бором (в 1913 г.) теории, объяснившей планетарную модель строения атома - ранее созданную известным физиком новозеландского происхождения Эрнстом Резерфордом.

Теория Н. Бора для атома водорода была сформулирована в виде трех постулатов [1]:

1. Электрон в атоме может двигаться только по определенным стационарным орбитам, каждой из которых можно приписать определенный номер n = 1, 2, 3, … Такое движение соответствует стационарному состоянию атома, обладающему неизменной полной энергией En. Это означает, что электрон, движущийся по стационарной замкнутой орбите, вопреки законам классической электродинамики, не излучает энергию.

2. Разрешенными стационарными орбитами являются только те, для которых угловой момент импульса L электрона равен целому кратному значению постоянной Планка . Поэтому для n-й стационарной орбиты выполняется условие квантования

n = 1, 2, 3,… (1.2)

3. Испускание или поглощение кванта излучения происходит при переходе атома из одного стационарного состояния в другое, при этом частота w излучения атома определяется разностью энергий атома в двух стационарных состояниях:

w nk = (Ek – En)/ , k > n. (1.3)

Большой вклад в разработку основ квантовой механики внес французский физик Луи де Бройль, выдвинувший (в 1924 г.) идею о наличии волновых свойств у любых движущихся материальных частиц. Согласно гипотезе де Бройля свободно движущейся частице, обладающей энергией E и импульсом p, соответствует волновой процесс, частота которого

w = , (1.4)

а длина волны

l Б = . (1.5)

Как известно плоская волна частотой w , распространяющаяся вдоль оси x, представляется в комплексной форме выражением [1]:

x (x, t) = A exp[– i(w t – kx)], (1.6)

где A – амплитуда волны, а k = – волновое число.

Поэтому согласно гипотезе де Бройля, свободной частице (с энергией E и импульсом p), движущейся вдоль оси x соответствует плоская волна

Y (x, t) = A exp[– (Et – px)], (1.7)

распространяющаяся в том же направлении и описывающая волновые свойства частицы. Эту волну называют волной де Бройля. Связь параметров, как в волновом, так и в корпускулярном представлении микрочастиц осуществляется выражениями, включающими в себя постоянную Планка

E = , = , (1.8)

где – импульс частицы, а – волновой вектор. Эти выражения получили название уравнений де Бройля.

Глядя на уравнения (1.8) можно предположить что, если бы не было размерностных различий между энергией и частотой, а также между импульсом и величиной, обратной длине волны, то постоянная Планка в этих уравнениях вовсе была бы не нужна. Но данная мысль является уж слишком необычной, поэтому она требует отдельного обсуждения. Рассмотрим здесь вещи более привычные.

Из условия постоянства фазы волны (1.7)

(Et – px) = const (1.9)

определяется фазовая скорость волны де Бройля, которая равна

фаз = . (1.10)

Фазовая скорость всегда превышает скорость света в вакууме – с, поэтому ее принято считать фиктивной. Групповая скорость волн де Бройля гр, совпадающая со скоростью движения частицы определяется, с учетом соотношений (1.8), выражением

гр = . (1.11)

Дальнейшее развитие идей квантовой механики и ее становление в первую очередь обязано работам таких известных ученых физиков как Эрвин Шредингер, Вернер Гейзенберг, Макс Борн, Поль Дирак, Иордан, а также работам многих и многих других.

2. ВОЛНОВЫЕ УРАВНЕНИЯ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Физическая теория, описывающая движение частиц, обладающих волновыми свойствами, первоначально получила название волновой механики. Однако это название вскоре было заменено другим – квантовая механика, так как оказалось, что волновая механика способна предсказывать дискретный характер или квантование различных параметров (ФВ) у движущихся микрочастиц.

Движение микрочастиц в квантовой механике описывается волновой функцией Y (x, y, z, t), подобной (1.7), но характеризующей поведение микрочастиц в трехмерном пространстве и времени. Иногда волновую функцию называют пси-функцией, по наименованию используемой для ее обозначения буквы.

Одним из постулатов квантовой механики является постулат о представлении волновой функции периодически меняющейся во времени и пространстве. Для стационарного случая волна принимается периодически меняющейся, но с неизменной плотностью распределения вероятности пространственного расположения микрочастицы.

Поскольку любая периодически меняющаяся функция может быть разложена в ряд Фурье, то волновую функцию принято описывать в суперпозиционном полигармоническом виде, приписывая каждой составляющей синусоидальный характер.

Общее временное уравнение Шредингера имеет вид

. (2.1)

Здесь – мнимая единица, а – рационализированная постоянная Планка. Стандартным символом D в (2.1) обозначен дифференциальный оператор Лапласа, который в декартовой прямоугольной системе координат определяется следующим образом:

D º . (2.2)

Уравнение Шредингера для стационарных состояний, образуемое из (2.1) при допущении, что Ψ- функция может быть представлена в виде произведения двух частей, зависящих: одна от пространственных координат, а другая от времени, имеет следующий вид

. (2.3)

Здесь малая буква ψ, в отличие от используемой в (2.1) большой буквы Ψ, обозначает лишь одну часть волновой функции, которая зависит только от пространственных координат. Вторая часть волновой функции, считающаяся находящейся в произведении с первой и здесь отсутствующая, зависит только от времени.

Почти все традиционные учебники физики, например [1, 2], говорят о невозможности выведения уравнений (2.1) и (2.3), приводя объяснение, что данные уравнения “сконструированы” или угаданы автором, точно также как в свое время были сконструированы или угаданы знаменитые уравнения Максвелла. Отдельные авторы считают, что вообще все природные закономерности устанавливаются лишь на основе опытных данных [1, стр.125].

С позиций системной взаимосвязи ФВ и системной обусловленности всех физических закономерностей, что изложено в работах автора [3-6], с таким заключением согласиться никак нельзя. Во-первых, системное и целостное представление природных закономерностей помогает формированию действительно научного мировоззрения [5, 6]. Во вторых, возможно выведение отдельных природных закономерностей привычным логическим путем. Оба эти направления необходимо раскрывать и показывать при обучении студентов физике, которую многие готовы признать - чуть ли не постулативной.

Система ФВ, варианты исполнения отдельных частей которой, применительно к рассматриваемой задаче, приведены на рис.1- рис.6, строится на упорядоченно расположенных LT- или MLT- размерностных элементах. ФВ непосредственно или с дополнительными размерностными коэффициентами многоуровнево входят в элементы системы. Закономерные взаимосвязи ФВ обнаруживаются в системе как их ближайшие системные связи или как попарное равенство произведений размерностей ФВ, располагаемых в элементах системы на противоположных вершинах выделенных параллелограммов. Более подробно эти моменты раскрыты в работе [4].

Применительно к рассматриваемой проблеме вывода волновых уравнений Шредингера следует уяснить ближайшие системные размерностные взаимосвязи ФВ действие. В системе по рис.3 и в последующих вариантах она названа действием актуальным, поскольку в квантовой механике (да и не только в ней) выявляется существование еще одного действия – это действие потенциальное, которое рассматривается чуть ниже.

Действие актуальное, квантом которого является постоянная Планка, связано через время с энергией и через длину с импульсом. В системном представлении ФВ по рис.1 - рис.4 эти связи хорошо видны.